Laser không gian: Cách chúng ta trò chuyện với sao Hỏa sẽ thay đổi hoàn toàn

Vào tháng 12 năm 2023, một vệ tinh nhỏ màu vàng đã chiếu đoạn video quay cảnh một chú mèo mướp màu cam tên là Taters đang đuổi theo con trỏ laser lên xuống một chiếc ghế dài. Nếu bạn nghĩ rằng bạn không ngừng khoe thú cưng của mình thì cuộc phiêu lưu dài 15 giây của Taters được truyền từ cách Trái đất 19 triệu dặm. Vài tháng sau, những bức ảnh và video về thú cưng của nhân viên NASA đang bay trong không gian, được đóng gói tinh xảo bên trong các chùm tia laser, mất 101 giây để truyền tới Trái đất với tốc độ ánh sáng.

Bên cạnh việc nâng cao lợi ích cho mọi chủ sở hữu thú cưng trên Trái đất, cuộc trình diễn của NASA còn được thiết kế để kiểm tra các hệ thống liên lạc quang học như một cách truyền dữ liệu đến các tàu vũ trụ ở xa với tốc độ nhanh hơn nhiều so với sóng vô tuyến. Meera Srinivasan, người đứng đầu hoạt động của Truyền thông quang học không gian sâu (DSOC) của NASA tại Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực (JPL), nói với Gizmodo: “Đây là điều đã được thực hiện trong nhiều thập kỷ”. “Chúng tôi cần phát triển công nghệ đó và làm cho nó phù hợp với các hoạt động, đặc biệt là trong môi trường không gian.”

Kỷ nguyên mới của truyền thông không gian

Phải mất nhiều năm nghiên cứu và trình diễn công nghệ nhỏ hơn để truyền dữ liệu qua những khoảng cách ngắn hơn, như từ Trái đất đến Mặt trăng, trước khi DSOC sẵn sàng bay. Máy thu phát laser chuyến bay DSOC được phóng vào tháng 10 năm 2023, gắn liền với tàu vũ trụ Psyche (đang thực hiện sứ mệnh riêng là khám phá một tiểu hành tinh cùng tên).

Trong khi Psyche dựa vào liên lạc vô tuyến truyền thống, thì máy thu phát laser DSOC là minh chứng đầu tiên về liên lạc quang học từ khoảng cách xa như sao Hỏa. Vào tháng 11, thiết bị này đã nhìn thấy ánh sáng đầu tiên và dữ liệu được mã hóa bằng tia laser cận hồng ngoại cách Trái đất gần 10 triệu dặm.

Đúng vậy, chúng ta đang nói về những chùm tia vô hình truyền đi với tốc độ ánh sáng, mang dữ liệu có độ phân giải cao từ không gian sâu thẳm đến Trái đất. Đây là cách nó hoạt động: Hệ thống truyền thông quang học gói dữ liệu vào các dao động của sóng ánh sáng trong tia laser, mã hóa thông điệp thành tín hiệu quang học được truyền đến máy thu thông qua các tia hồng ngoại mà mắt người không thể nhìn thấy.

Cách thức hoạt động của truyền thông quang học

Kể từ khi phóng vệ tinh đầu tiên vào những năm 1950, NASA và các cơ quan vũ trụ khác đã dựa vào liên lạc tần số vô tuyến để gửi dữ liệu đến và đi từ không gian. Cả tín hiệu vô tuyến và tín hiệu laser đều là một phần của phổ điện từ và truyền đi với tốc độ như nhau, nhưng chúng có bước sóng khác nhau. Laser truyền dữ liệu ở phần cận hồng ngoại của phổ điện từ, do đó chúng có bước sóng ngắn hơn và tần số cao hơn. Điều đó có nghĩa là có nhiều bước sóng hồng ngoại hơn bước sóng vô tuyến trong một khoảng cách cụ thể, cho phép chứa nhiều dữ liệu hơn bên trong sóng hồng ngoại.

Srinivasan nói: “Nó ảnh hưởng đến lượng dữ liệu mà bạn có thể đưa vào. “Và rõ ràng điều đó làm được là nó cho phép dữ liệu có độ phân giải cao hơn vì bạn có thể gửi nhiều bit hơn trong cùng một khoảng thời gian.” Theo NASA, thí nghiệm DSOC nhằm mục đích chứng minh tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn từ 10 đến 100 lần so với các hệ thống tần số vô tuyến hiện tại được sử dụng bởi tàu vũ trụ ngày nay.

Nếu bạn xem xét video về mèo mướp, máy phát vô tuyến truyền thống của Psyche, có tốc độ dữ liệu 360 kilobit/giây, sẽ mất 426 giây để truyền video. Trong khi đó, bộ thu phát laser DSOC chỉ mất 0,58 giây để truyền video với tốc độ dữ liệu 267 megabit/giây. Tuy nhiên, cả sóng vô tuyến và tia laser sẽ mất cùng một khoảng thời gian để đến Trái đất với tốc độ ánh sáng.

Srinivasan cho biết: “Với thông tin liên lạc quang học, về cơ bản bạn đang sử dụng kính thiên văn và tia laser để liên lạc và bạn đang truyền các chùm tia laser này”. Thí nghiệm DSOC có một máy thu phát laser bay và hai trạm mặt đất: Kính thiên văn Hale khẩu độ 200 inch (5 mét) tại Đài quan sát Palomar của Caltech ở San Diego, đóng vai trò là trạm đường xuống và Phòng thí nghiệm Kính viễn vọng Truyền thông Quang học tại Núi Bàn của JPL cơ sở ở California, trạm đường lên.

Trạm đường lên sẽ gửi tín hiệu xung laser đến nhà ga chuyến bay, nơi được trang bị camera có khả năng đếm từng photon. Nhà ga chuyến bay sử dụng máy phát mặt đất làm đèn hiệu, khóa vào nó để nhắm vào nơi nó hướng chùm tia laser. Sử dụng máy phát mặt đất, nhà ga chuyến bay sẽ gửi dữ liệu của nó dưới dạng xung laser làm đường truyền xuống Trái đất.

Những thách thức và tương lai của laser không gian

Điều đó nghe có vẻ khá dễ dàng, vậy tại sao NASA lại không dựa vào những tia laser không gian tuyệt vời này trong suốt thời gian qua? Vâng, truyền thông quang học không phải là không có thách thức. Khi chùm tia laser tới Trái đất, nó hẹp hơn nhiều so với chùm tia vô tuyến, chỉ rộng vài trăm dặm so với tín hiệu vô tuyến rộng khoảng 1,5 triệu dặm (rộng 2,5 triệu km). Chiều rộng hẹp của nó đòi hỏi độ chính xác cao hơn để đến được trạm thu trên Trái đất, hướng chùm tia laser vào điểm mà kính viễn vọng trên mặt đất sẽ ở trên quỹ đạo hành tinh vào thời điểm tín hiệu tới được.

Truyền thông quang học đã được sử dụng để truyền dữ liệu từ quỹ đạo Trái đất và Mặt trăng, nhưng thử nghiệm gần đây đánh dấu khoảng cách xa nhất được bao phủ bởi các chùm tia laser, khi NASA tìm cách tinh chỉnh các kỹ năng liên lạc của mình trước các sứ mệnh sắp tới vào không gian sâu. Tuy nhiên, khoảng cách xa hơn khiến tia laser không gian khó bắn trúng mục tiêu trên Trái đất một cách chính xác hơn—thách thức lớn nhất của NASA trong việc hoàn toàn dựa vào tia laser để tải dữ liệu từ không gian sâu.

Khi tàu vũ trụ Psyche tiếp tục hành trình dài 2,2 tỷ dặm (3,6 tỷ km) đến vành đai tiểu hành tinh, nhóm kỹ thuật đằng sau DSOC sẽ tiếp tục chạy thử nghiệm hệ thống liên lạc và kiểm tra hàng tuần bằng bộ thu phát laser. Psyche càng di chuyển xa hơn trên đường tới mục tiêu tiểu hành tinh của nó, tín hiệu photon laser sẽ càng mờ.

Cho đến nay, thí nghiệm này đang phá kỷ lục khi nó tiến xa hơn khỏi Trái đất. Vào tháng 7, DSOC đã gửi tín hiệu laser từ Trái đất tới tàu vũ trụ Psyche từ khoảng cách khoảng 290 triệu dặm (460 triệu km), bằng khoảng cách giữa Trái đất và Sao Hỏa khi hai hành tinh ở xa nhau nhất.

Srinivasan của NASA dự đoán rằng các sứ mệnh sẽ bắt đầu dựa vào tia laser trong vòng 10 năm tới, nhấn mạnh sự cần thiết phải chế tạo kính thiên văn dành riêng cho truyền thông quang học để có một số tùy chọn cho các địa điểm trên mặt đất có thể nhận dữ liệu.

Srinivasan nói: “Tôi nghĩ đây sẽ là giải pháp của cả hai (liên lạc vô tuyến và laser). “Với giao tiếp bằng laser, đó là kênh tốc độ dữ liệu cao được sử dụng để truyền tải các video độ phân giải cao, dữ liệu khoa học phong phú hơn nhiều, v.v., nhưng sẽ luôn có một nơi dành cho giao tiếp tần số vô tuyến.”